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重学计算机组成原理(十二) - 异常和中断

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 JavaEdge
发布于 10/21 23:38
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1 概览

完好的程序都满足以下特征

  • 自动运行 我们的程序和指令都是一条条顺序执行,不需要通过键盘或者网络给这个程序任何输入

  • 正常运行 没有遇到计算溢出之类的程序错误。

不过,现实的软件世界可没有这么简单

  • 程序不仅是简单的执行指令,更多的还需要和外部的输入输出打交道
  • 程序在执行过程中,还会遇到各种异常情况,比如除以0、 溢出,甚至我们自己也可以让程序抛出异常。

遇到这些情况,计算机是怎么运转的呢,也就是说,计算机究竟是如何处理异常的

2 异常:硬件、系统和应用的组合拳

2.1 软件 还是 硬件 异常?

一提到异常 (Exception),可能你的第一反应就是Java中的Exception。 不过我们今天讲的,并不是这些软件开发过程中遇到的“软件异常” 而是和硬件、系统相关 的“硬件异常”。

当然,“软件异常”和“硬件异常”并不是业界使用的专有名词,只是我为了方便给你说明,和Java中软件抛出的Exception进行的人为区分,你明白这个意思就好。

尽管,这里我把这些硬件和系统相关的异常,叫作“硬件异常”。但是,实际上,这些异常,既有来自硬件的,也有来自软件层面的。

比如,我们在

  • 硬件层面 当加法器进行两个数相加的时候,会遇到算术溢出 或者,你在玩游戏的时候,按下键盘发送了一个信号给到CPU,CPU要去执行一个现有流程之外的指令,这也是 一个“异常”

同样,来自

  • 软件层面 比如我们的程序进行系统调用,发起一个读文件的请求。这样应用程序向系统调用发起请求的情况,一样是通过“异常”来实现的。

2.2 异常的一生

异常, 其实是一个硬件和软件组合到一起的处理过程。

  • 异常的前半生 异常的发生和捕捉,在硬件层面完成

  • 异常的后半生 异常的处理,其实是由软件来完成的!

2.3 异常代码

计算机会为每一种可能会发生的异常,分配一个异常代码(Exception Number) 异常代码也叫作中断向量(Interrupt Vector)。

异常发生的时候,通常是CPU检测到了一个特殊的信号。 比如

  • 你按下键盘上的按键,输入设备就会给CPU发一个信号
  • 正在执行的指令发生了加法溢出,同样,我们可以有一个进位溢出的信号

这些信号呢,在组成原理,一般叫发生了一个事件(Event) CPU在检测到事件的时候,其实也就拿到了对应的异常代码。 这些异常代码里

  • I/O发出的信号的异常代码,是由操作系统来分配的,也就是由软件来设定的
  • 像加法溢出这样的异常代码,则是由CPU预先分配好的,也就是由硬件来分配的. 这又是另一个软件和硬件共同组合来处理异常的过程

拿到异常代码之后,CPU就会触发异常处理的流程 计算机在内存里,会保留一个异常表 (Exception Table)。 也叫中断向量表(Interrupt Vector Table),好和上面的中断向量对应起来。

这个异常表有点儿像我们在之前的GOT表,存放的是不同的异常代码对应的异常处理程序(Exception Handler)所在的地址

2.4 异常处理程序流程

我们的CPU在拿到了异常码后

  • 首先, 把当前的程序执行的现场,保存到程序栈
  • 然后, 根据异常码查询,找到对应的异常处理程序
  • 最后, 把后续指令执行的指挥权,交给这个异常处理程序

这样“检测异常 => 拿到异常码 => 再根据异常码进行查表处理”的模式,在日常开发的过程中是很常 见的。

flowchat
st=>start: 开始
e=>end: 结束
op1=>operation: 检测异常
op2=>operation: 拿到异常码
op3=>operation: 再根据异常码进行查表处理

st->op1->op2->op3
op3->e

比如说

Web或者App开发

通常都是前后端分离的

  • 前端应用,会向后端发起HTTP请求
  • 当后端遇到了异常,通常会给到前端一个对应的错误代码
  • 前端的应用根据这个错误代码,
    • 在应用层面去进行错误处理
    • 在不能处理的时候,它会根据错误代码向用户显示错误信息。

Java里面

可以设定ExceptionHandler,来处理线程执行中的异常情况

public class LastChanceHandler implements Thread.UncaughtExceptionHandler {

    @Override
    public void uncaughtException(Thread t, Throwable e) {
        // do something here - log to file and upload to    
        // server/close resources/delete files...
    }
}
 
Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler(new LastChanceHandler());

使用一个线程池去运行调度任务的时候

可以指定一个异常处理程序。 对于各个线程在执行任务出现的异常情况,我们是通过异常处理程序进行处理,而不是在实际的任务代码里处理。 这样,我们就把业务处理代码就和异常处理代码的流程分开了。

3 异常的分类

异常可以由硬件触发,也可以由软件触发

3.1 中断(Interrupt)

顾名思义,就是程序在执行到一半的时候,被打断了。这个打断执行的信号,来自于CPU外部的I/O设备。 你在键盘上按下一个按键,就会对应触发一个 相应的信号到达CPU里面。CPU里面某个开关的值发生了变化,也就触发了一个中断类型的异常。

3.2 陷阱(Trap)

程序员“故意“主动触发的异常。就好像你在程序里面打了一个断点,这个断点就是设下的一个"陷阱"。 当程序的指令执行到这个位置的时候,就掉到了这个陷阱当中。然后,对应的异常处理程序就会来处理这个"陷阱"当中的猎物。

最常见的一类陷阱,应用程序调用系统调用的时候,也就是从用户态切换到内核态的时候。

> 可以用Linux下的time指令,去查看一个程序运行实际花费的时间,里面有在用户态花费的时间(user time),也有在内核态发生的时间 (system time)。

应用程序通过系统调用去读取文件、创建进程,其实也是通过触发一次陷阱来进行的。这是因为用户态的应用程序没有权限来做这些事情,需要把对应的流程转交给有权限的异常处理程序来进行。

3.3 故障(Fault)

陷阱是我们开发程序的时候刻意触发的异常,而故障通常不是。 比如,我们在程序执行的过程中,进行加法计算发生了溢出,其实就是故障类型的异常。 这个异常不是我们在开发的时候计划内的,也一样需要有对应的异常处理程序去处理。

故障和陷阱、中断的重要区别

故障在异常程序处理完成之后,仍然回来处理当前的指 令,而不是去执行程序中的下一条指令。 因为当前的指令因为故障的原因并没有成功执行完成。

3.4 中止(Abort)

与其说这是一种异常类型,不如说这是故障的一种特殊情况。 当CPU遇到了故障,但是恢复不过来的时候,程序就不得不中止了。

3.5小结

中断异常的信号来自系统外部,而不是在程序自己执行的过程中,所以我们称之为“异步”类型的异常。

而陷阱、故障以及中止类型的异常,是在程序执行的过程中发生的,所 以我们称之为“同步“类型的异常。

在处理异常的过程当中,无论是异步的中断,还是同步的陷阱和故障,我们都是采用同一套处理流程,也就是上面所说的,“保存现场、异常代码查询、异常处理程序调用“。 而中止类型的异常,其实是在故障类型异常的一种特殊情况。当故障发生,但是我们发现没有异常处理程序能够处理这种异常的情况下,程序就不得不进入中止状态,也就是最终会退出当前的程序执行。

4 异常的处理:上下文切换

在实际的异常处理程序执行之前,CPU需要去做一次“保存现场”的操作。这个保存现场的操作, 和函数调用的过程非常相似。

切换到异常处理程序,就好像是去调用一个异常处理函数。指令的控制权被切换到了另外一个"函数",所以我们自然要把当前正在执行的指令去压栈。 这样才能在异常处理程序执行完后,重新回到当前的指令继续往下执行。

不过,切换到异常处理程序,比起函数调用,还是要更复杂一些。原因有下面几点

  • 异常情况往往发生在程序正常执行的预期之外,比如中断、故障发生的时候。所以,除了本来程序压栈要做的事情之外,还需要把CPU内当前运行程序用到的所有寄存器, 都放到栈里面。最典型的就是条件码寄存器里面的内容
  • 像陷阱这样的异常,涉及程序指令在用户态和内核态之间的切换。对应压栈的时候,对应的数据是压到内核栈里,而不是程序栈里。
  • 像故障这样的异常,在异常处理程序执行完成之后。从栈里返回出来,继续执行的不是顺序的下一条指令,而是故障发生的当前指令。因为当前指令因为故障没有正常执行成功,必须重新去执行一次。

所以,对于异常这样的处理流程,不像是顺序执行的指令间的函数调用关系。而是更像两个不同的独立进程之间在CPU层面的切换,所以这个过程我们称之为上下文切换(Context Switch)。

5 总结

计算机里的“异常”处理流程。这里的异常可以分成中断、陷阱、故障、中止 这样四种情况。这四种异常,分别对应着I/O设备的输入、程序主动触发的状态切换、异常情况下的程序出错以及出错之后无可挽回的退出程序。 当CPU遭遇了异常的时候,计算机就需要有相应的应对措施。CPU会通过“查表法”来解决这个问 题。在硬件层面和操作系统层面,各自定义了所有CPU可能会遇到的异常代码,并且通过这个异 常代码,在异常表里面查询相应的异常处理程序。在捕捉异常的时候,我们的硬件CPU在进行相 应的操作,而在处理异常层面,则是由作为软件的异常处理程序进行相应的操作。 而在实际处理异常之前,计算机需要先去做一个“保留现场”的操作。有了这个操作,我们才能在异常处理完成之后,重新回到之前执行的指令序列里面来。这个保留现场的操作,和我们之前讲 解指令的函数调用很像。但是,因为“异常”和函数调用有一个很大的不同,那就是它的发生时间。函数调用的压栈操作我们在写程序的时候完全能够知道,而“异常”发生的时间却很不确定。 所以,“异常”发生的时候,我们称之为发生了一次“上下文切换”(Context Switch)。这个时 候,除了普通需要压栈的数据外,计算机还需要把所有寄存器信息都存储到栈里面去。

推荐阅读

关于异常和中断,《深入理解计算机系统》的第8章“异常控制流”部分,有非常深入和充分的讲解,推荐你认真阅读一下。

思考

很多教科书和网上的文章,会把中断分成软中断和硬中断。你能用自己的话说一说,什么是软中 断,什么是硬中断吗?它们和我们今天说的中断、陷阱、故障以及中止又有什么关系呢? 欢迎留言和我分享你的疑惑和见解。你也可以把今天的内容,分享给你的朋友,和他一起学习和 进步。

参考

https://www.cnblogs.com/luoahong/p/11425628.html#top 深入理解计算机系统(第三版) > 本文由博客一文多发平台 OpenWrite 发布!

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